高性能的便携应用ESD保护方案

  1 引言

    随着手机等便携设备中具备更多的功能，可供静电放电(ESD)电压进入的潜在输入输出(I/O)通道更趋众多，包括键盘、按键、SIM卡、电池充电、USB接口、FM天线、LCD显示屏、耳机插孔、FM天线等众多位置都需要ESD保护。根据电容及数据率的不同，便携设备的ESD保护应用领域可分为大功率、高速和极高速等三个类型，其电容分别为大于30 pF、介于1pF～30 pF之间和小于1 pF，参见表1。由此表可见，速度越高的应用要求的电容也越低，这是因为高速应用中更需要维持信号完整性及降低插入损耗。

    表1  便携设备ESD保护应用分类及典型保护产品 

    2  便携设备最有效的ESD保护方法

    从保护方法来看，一种可能的选择是芯片内建ESD保护。但日趋缩小的CMOS芯片已经越来越不足以承受内部2 kV等级ESD保护所需要的面积，故真正有效的ESD保护不能完全集成到CMOS芯片之中。另外，虽然通过在物理电路设计及软件设计方面下功夫，可以发挥一些作用，但总有部分重要电路较为敏感，很难与外部隔离。故最有效的ESD保护方法还是在便携设备的连接器或端口处放置保护元件，将极高的ESD电压钳位至较低的电压，以确保电压不会超过集成电路(IC)内氧化物的击穿电压，保护敏感IC。

    在正常工作条件下，外部ESD保护元件应该保持在不动作状态，同时不会对电子系统的功能造成任何影响，这可以通过维持低电流以及低电容值来达到。而在ESD应力冲击或者说大电流冲击条件下，ESD保护元件的第一个要求就是必须能够正常工作，要有足够低的电阻以便能够限制受保护点的电压。其次，必须能够快速动作，这样才能使上升时间低于ns的ESD冲击上升时间。

[page]    3  外部保护元件比较及其性能测试

    常见的外部保护元件有压敏电阻、聚合物和硅瞬态电压抑制器(TVS)等，它们所采用的材料分别是金属氧化物、带导电粒子的聚合物和硅。压敏电阻在低电压时呈现出高电阻，而在较高电压时电阻会下降。带导电粒子的聚合物在正常电压下呈现相当高的电阻，当遭受ESD应力时，导电粒子间的小间隙会成为突波音隙阵列，从而带来低电阻路径。TVS则为采用标准与齐纳二极管特性设计相同的硅芯片元件。TVS元件主要针对能够以低动态电阻承载大电流的要求进行优化，由于TVS元件通常采用IC方式生产，因此可以看到各种各样的单向、双向及以阵列方式排列的单芯片产品。

    在以上几种外部保护元件中，TVS元件的大电流导电率极佳，且在重复应力条件下仍能维持优异性能，不存在压敏电阻或聚合物等其它保护元件使用增多后会出现性能下降的问题。新的ESD元件具有极低的电容，非常适合高速数据线路的ESD保护。而越是高速的应用，越是要求ESD保护元件具有更低的电容及更低的钳位电压。

图1  安森美半导体集成硅ESD保护元件拥有比竞争器件更优的钳位电压性能

    电子系统必须能够在IEC 61000-4-2标准测试条件下存续。为了对上述几种外部ESD保护元件进行更加直接的比较，对压敏电阻、聚合物、半导体硅保护元件及性能最接近的硅竞争器件，首先施以IEC 61000-4-2 ±8 kV ESD接触放电脉冲，并通过示波器截取其ESD钳位电压波形进行比较，可以发现安森美半导体的硅ESD保护元件拥有低得多的钳位电压，不仅优于压敏电阻和聚合物等无源元件，更优于性能最接近的硅竞争器件，参见图1 。

    此外，便携设备可能遭受多次的ESD电压应力，这在中国北方地区表现得犹为明显。因为，外部保护元件在多种ESD应力条件的性能尤为重要，直接决定着便携产品的可靠性。因此，同样可以对压敏电阻、聚合物和硅ESD二极管等保护元件在Tesec直流测试条件下测试。每个元件都施以总计2,000次的15 kV接触放电ESD脉冲(正向及负向各1,000次)，每两次脉冲的时间间隔为0.1s。表2所示的测试结果显示，安森美半导体的硅集成ESD保护元件在多重应力条件下仍然维持极佳的性能，而竞争器件要么损坏，要么性能退化较严重。

    表2  Tesec直流测试条件下不同ESD外部保护元件在多重应力后的性能比较 

[page]    4 高性能ESD外部保护元件概览

    如表1所示，安森美半导体为便携设备的大功率、高速和极高速等应用领域均提供一系列的高性能硅ESD保护元件，满足不同应用需求。其中 ESD11L、ESD11N、NUP4016(用于极高速应用)，ESD11B、NUP4xxxP5(用于高速应用)更是当今业界领先的产品。

    例如NUP4016具备每条I/O线路0.5 pF的超低电容，非常适用于保护通用串行总线(USB) 2.0高速(480 Mbps)和高清多媒体接口(HDMI) (1.65 Gbps)等高速接口。ESD11L5.0D将安森美半导体的超低电容技术集成至3引脚封装中，以0.5 pF电容保护两条高速数据线路，为设计人员提供保护USB 2.0端口的D+和D-线路的单个器件解决方案。ESD11L5.0D也能够连接阴极至阴极，以0.25 pF电容保护单条双向线路，非常适用于保护高频射频(RF)天线线路。

    NUP4016和ESD11L5.0D都能在数ns时间内将15 kV输入ESD波形钳位至不足8 V，为当今对ESD敏感的集成电路(IC)提供最高保护水平。这些硅器件没有无源技术的磨损问题，在经过多次浪涌事件如ESD等后，可靠性和性能都不受影响。

    值得一提的是，安森美半导体的这些高性能硅保护器件不仅提供极低电容和极低钳位电压，更采用极小的封装，是需要在超薄封装中提供优异保护性能的便携产品的极佳保护器件。如NUP4016采用极小的1.0 mm x 1.0 mm x 0.4 mm SOT-953封装保护4条高速数据线路，是如今市场上最薄的高速通信接口用ESD保护器件。ESD11L5.0D采用超小型1.0 mm x 0.6 mm x 0.37 mm SOT-1123封装，与采用SOT-723封装的市场上同类解决方案相比，占位面积小50%，厚度低20%，是如今市场上最薄的高速通信、USB 2.0数据和电源线路的保护用ESD器件。

    安森美半导体还规划提供尺寸小至0.6 mm x 0.3 mm x 0.3 mm的0201 CSP封装的ESD器件，保护单条线路，每条线路所占平面面积仅为0.18 mm2。

    5 采用安森美半导体硅保护元件的USB 2.0高速应用保护示例

    USB 2.0接口在便携设备中的应用范围非常普及，在用户的日常使用中也有着极高的使用频率，故需要为高速USB接口提供可靠的ESD保护。图2显示的是速度达480 Mbps的USB 2.0高速应用在带识别(ID)线路及不带ID线路两种情况下的简明结构示意图。

图2  USB 2.0高速(480 Mbps)应用结构示意图

[page]    以带ID线路的图2（a）为例，应用中需要以电容小于1 pF、小封装的器件保护3条极高速数据线路(D+、D-和ID)及1条大功率线路(Vbus)。针对这样的保护需求，既可以采用分立保护方案，如使用3颗ESD9L加1颗ESD9X，也可以采用集成保护方案，如1颗NUP3115UP或NUP4114UP(有1条线路未连接)。

    在图2（b)的应用中，需要以电容小于1 pF、小封装的器件保护2条极高速数据线路及1条大功率线路(Vbus)。针对这样的保护需求，同样既可以采用分立保护方案，如使用2颗ESD9L加1颗ESD9X、1颗ESD7L加1颗ESD9X或1颗ESD11L加1颗ESD9X，也可以使用集成保护方案，如1颗NUP2114UP或1颗NUP4114UP(保护2个USB端口)。 

    6 总结：

    手机、数码相机等便携产品中的众多位置可能遭受ESD脉冲的影响并损坏其中特征尺寸越来越小、越来越敏感的集成电路，进而影响系统的可靠性。最有效的ESD保护方法是在便携设备的连接器或端口处放置外部保护元件。测试表明，硅TVS二极管比聚合物和压敏电阻等无源元件的钳位性能更优异，而安森美半导体的硅保护元件更是优于性能最接近的竞争器件。安森美半导体为便携设备的大功率、高速和极高速应用领域提供丰富的高性能硅保护元件系列，其中不少都是当今业界的领先产品。这些领先产品以极小的封装提供极低的电容和极低钳位电压，非常适合保护USB 2.0高速及HDMI等极高速应用。同时，客户得益于安森美半导体丰富的硅保护元件系列，能够为其USB 2.0高速等应用灵活地选择及搭配安森美半导体的硅保护元件，满足他们的不同应用需求。■